Читать книгу "Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма - Дмитрий Соколов"

Так или иначе, в последние годы стало хорошо заметно, как отдельные достижения специалистов по солнечному динамо постепенно складываются в единую картину, непротиворечиво описывающую строение и эволюцию магнитного поля Солнца в сравнительно недавнюю эпоху (здесь я по памяти пересказываю один из докладов Л. Л. Китчатинова). Конечно, если говорить об эволюции магнитного поля Солнца в масштабах всей его эволюции от образования Солнца до наших дней, то здесь еще много неясного, хотя кое-что постепенно проясняется. Здесь я тоже пересказываю мнение специалиста, на этот раз М. М. Кацовой из Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга в Москве.

Есть и еще важное отличие солнечного динамо от галактического. Действительно, можно считать, что в галактическом динамо, если отвлечься от тонких деталей, магнитные силы меняют только альфу, а во вращение галактики они практически не вмешиваются. Для солнечного динамо такое приближение более или менее работает, но есть и заметные явления, в которых видна зависимость вращения от магнитного поля. В частности, во вращении Солнца тоже видны одиннадцатилетние вариации, которые естественно связать с действием магнитной силы.

11. Теперь про геодинамо

Изучение эволюции магнитного поля в Земле несколько выпадает из всего круга задач, которые решает теория динамо. С одной стороны, мы чрезвычайно мало знаем о течениях в жидкой и хорошо проводящей оболочке Земли – она называется внешним ядром. Внешнее ядро отделено от нас не только земной корой, но и толстым слоем мантии. Сигналы, приходящие из глубины внешнего ядра, очень сглажены мантией и корой. Поэтому трудно в деталях узнать, что там происходит.

На Земле нет таких замечательных индикаторов, как солнечные пятна, которые говорят о происходящем в глубинах.

Внутри внешнего ядра находится внутреннее твердое проводящее ядро, про которое еще труднее узнать что-то определенное, чем про ядро внешнее. Однако это внутреннее ядро тоже важно для геодинамо.

Хорошо, что благодаря сейсмологии мы знаем о существовании всех этих оболочек, но данные этой науки позволяют узнать совсем не все, что нам интересно. Например, в моделях геодинамо обычно считается, что раздел между внешним ядром и мантией представляет собой идеальную сферу, – нужно же предположить что-нибудь, а при полном отсутствии информации не хочется выдумывать сложные предположения. Эта идея оказывается важной, от нее многое зависит. С одной стороны, мы сами живем на разделе между земной корой и атмосферой и отлично знаем, что он, мягко говоря, не похож на идеальную сферу пренебрежимо малой толщины. С другой стороны, давление и температура на границе между мантией и внешним ядром гораздо больше, чем на поверхности Земли. Вполне вероятно, что они действительно сглаживают все неровности. С третьей стороны, в недрах Земли много всяких разделов. В конце прошлого столетия люди научились технике сверхглубокого бурения, и теперь самые глубокие скважины достигают первого из таких разделов, а одна из них – Кольская сверхглубокая – дело рук отечественных геологов и инженеров. Благодаря этим скважинам люди узнали много нового о строении самого неглубокого из разделов. Оказалось, что до этого мы очень приблизительно представляли себе его свойства и строение. И нет оснований сомневаться, что свойства раздела между внешним ядром и мантией мы тоже представляем себе очень приблизительно.

В такой ситуации не остается ничего другого, кроме одновременного построения как модели эволюции геомагнитного поля, так и модели гидродинамических течений во внешнем ядре Земли. Слов нет, этот вынужденный выбор очень затрудняет построение простой и понятной модели геодинамо.

Есть и другое, более фундаментальное различие между задачами солнечного динамо и геодинамо. Насколько известно, магнитное число Рейнольдса во внешнем ядре Земли большое, но не такое гигантское, как на Солнце. Оно несколько больше магнитного числа Рейнольдса, достижимого в лабораторных условиях, но этот зазор не так уж велик – ну, раз в десять.

Зато Земля – чрезвычайно быстро вращающееся небесное тело. Она вращается несравненно быстрее Солнца, не говоря уж о галактиках. В самом деле, за время своего существования (это время сопоставимо с возрастом Вселенной) галактики совершают десятки, может быть, сотни оборотов вокруг своего центра. Солнце совершает один оборот вокруг своей оси примерно за 26 дней. Поскольку вращение Солнца дифференциальное, для более точной оценки требуется указать, о какой именно части Солнца мы говорим. Многие знают, что Земля совершает один оборот вокруг своей оси за сутки. Контраст между этими величинами станет еще заметнее, если мы вспомним, что характерное время изменения магнитного поля на Солнце – длина солнечного цикла – составляет 11 лет, а на Земле время между инверсиями магнитного поля занимает никак не меньше десятков тысяч лет.

Именно из-за чрезвычайно высокой скорости вращения Земли в задачах геодинамо главная трудность связана с описанием самого течения, а не магнитного поля, хотя его описывать тоже трудно. Не возникает сомнений, что магнитное поле может сильно изменить важные для геодинамо свойства течения. Задача становится сильно нелинейной. Схемы, связанные с подавлением спиральности в геодинамо, могут дать лишь самое грубое представление о том, что происходит при генерации магнитного поля.

Тем не менее прямое детальное численное моделирование хорошо воспроизводит основные черты шкалы геомагнитной полярности. Видимо, эти модели уже улавливают главные характеристики того, что происходит в глубинах Земли, хотя остается огромный простор для работы будущих поколений.

Глава 4

Вокруг традиционных динамо

Мы поговорили о том, как возникают и эволюционируют магнитные поля в галактиках, на Солнце и на Земле. Конечно, специалисты по теории динамо занимаются и магнитными полями других звезд и планет. В этих задачах есть много интересного и необычного, хотя они в той или иной степени вырастают из тематики солнечного динамо и геодинамо. Очевидно, что про другие планеты мы знаем меньше, чем про Землю, а про другие звезды – меньше, чем про Солнце. Не нужно особой проницательности, чтобы понять, что и открытых вопросов, и неопределенностей в задачах планетарных и звездных динамо больше, чем в геодинамо и в солнечном динамо. Есть, безусловно, и достижения. О некоторых очень мало разработанных страницах в космическом магнетизме тоже стоит сейчас рассказать, хотя бы кратко.

1. Магнитные поля скоплений галактик

Гигантские звездные острова – галактики – совсем не самые большие объекты, известные во Вселенной. Галактики распределены очень неравномерно. Они, в частности, группируются в скопления. В каждое скопление входит много галактик, между которыми находится межгалактическая среда. Скопления бывают очень различные по размеру.

Все те же радиоастрономические наблюдения показывают, что между галактиками тоже есть магнитное поле. Оно имеет примерно ту же напряженность, что и магнитное поле галактик, – ну или раз в десять поменьше. Однако строение этого магнитного поля совсем другое. Масштаб его гораздо меньше, чем размер скоплений, и более или менее сопоставим с размером отдельных галактик.